Faseroptik

Faseroptik, ein Teilgebiet der Optik, das sich mit der Übertragung von Licht in Glasfasern bzw. in dünnen Glasstäben oder anderen transparenten Materialien mit hohem Brechungsindex befasst. Auch wenn die Faser gebogen ist, wird das Licht mit äußerst geringen Verlusten über größere Strecken von einem Ende zum anderen Ende der Faser übertragen. Mit Hilfe dieser Technik lassen sich Bilder und Daten übertragen.

Entscheidend für die Übertragung von Lichtsignalen in Fasern (im folgenden auch Lichtwellenleiter) ist das Phänomen der Totalreflexion: Lichtwellen, die sich im Kern der Faser fortpflanzen und dabei von innen auf die Mantelfläche treffen, werden vollständig in das Innere der Faser zurückgeworfen, wenn der Einfallswinkel größer ist als der so genannte Grenzwinkel der Totalreflexion (siehe Optik). Auch nach Tausenden solcher Reflexionsvorgänge wird der Lichtstrahl nicht schwächer. Damit keine Verluste durch Streuung des Lichtes an Verunreinigungen in der Grenzfläche entstehen, umgibt man die Faser mit einer Ummantelung. Diese besteht aus einem Material, dessen Brechungsindex viel kleiner als der des Glases der Faser ist. Dadurch findet die Totalreflexion praktisch an der Grenzfläche zwischen Faserkern und Mantel statt.

Derzeit ist die Anwendung von Glasfasern noch auf bestimmte Wellenlängen beschränkt (meist Infrarot). Eine Möglichkeit, auch andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums zu nutzen, bietet der definierte Einbau von Luftlöchern in die Glasfaser bei der Herstellung. Diese Technik stellten britische Wissenschaftler der University of Bath (nahe Bristol) im November 1998 der Öffentlichkeit vor; sie befindet sich aber noch in der Entwicklungsphase.

Die einfachste Anwendung optischer Fasern ist die Übertragung von Licht an schwer zugängliche Stellen, z. B. beim Zahnarztbohrer. Mit Bündeln aus einigen tausend sehr dünnen Fasern, die in Längsrichtung exakt aneinandergefügt und an den Enden fein poliert werden, lassen sich beispielsweise Bilder übertragen. Jede Faser überträgt dabei einen Punkt des Bildes. Das Bild kann dann am anderen Ende mit einer Lupe betrachtet werden. Die Bildübertragung durch optische Fasern wird heutzutage häufig in der Medizin verwendet. Beispielsweise kann man damit bestimmte Stellen des Körperinneren untersuchen oder bei der Laserchirurgie die Arbeit während der Operation überwachen und kontrollieren.

Die Faseroptik wird auch in vielen anderen Bereichen angewandt, u. a. beim Photosatz oder in der Computergraphik. Optische Fasern setzt man auch bei Sensoreinrichtungen ein, so bei Thermometern oder bei Kreiselkompassen. Die Anwendungsmöglichkeiten sind fast unbegrenzt, weil das in den Fasern übertragene Licht unempfindlich gegen äußere Einflüsse ist (z. B. gegenüber Druck, Schallwellen, mechanische Spannungen, Wärme oder Erschütterungen). Besonders vorteilhaft können optische Fasern dort sein, wo aufgrund der vorliegenden Bedingungen eine normale elektrische Verkabelung schwierig oder gar gefährlich wäre. Mit speziellen Fasern lässt sich auch das Licht von Hochleistungslasern zum Schneiden oder Bohren übertragen.

Immer wichtiger wird die Anwendung der Faseroptik für die Kommunikation, weil Lichtwellen sehr hohe Frequenzen haben. Je höher die Frequenz der Trägerwelle ist, desto mehr Information kann in derselben Zeit mit ihr übertragen werden.

In der Nachrichtentechnik sind zwei Arten von Lichtwellenleitern bekannt. Bei den so genannten Multimodefasern (Mehrmodenfaser) wird die zu übertragende Information praktisch von einer Vielzahl diskreter (voneinander getrennt laufende) Lichtwellen getragen. Im Gegensatz dazu gelingt die Datenübertragung bei der Monomodefaser (Einmodenfaser) mit Hilfe einer einzigen Lichtwelle. In diesem Zusammenhang versteht man unter dem Begriff „Mode” (Plural: Moden) nicht nur die Welle selbst, sondern auch einen Ausbreitungsweg der Lichtwelle. Von entscheidender Bedeutung ist hier das Verhältnis von Wellenlänge und Kerndurchmesser des Leiters. Ist z. B. der Durchmesser des Faserkernes groß im Vergleich zur Lichtwellenlänge, dann können sich viele Lichtwellen ausbreiten – man hat es demzufolge mit einer Multimodefaser zu tun.

In Kommunikationsnetzwerken werden schon häufig faseroptische Systeme verwendet. Für die Übertragung von Informationen über lange, z. B. transkontinentale Strecken wurden inzwischen zahlreiche Kommunikationsnetzwerke errichtet. Ein Vorteil der faseroptischen Systeme sind die langen Strecken, die die Signale ohne Verstärkung überwinden können. Die dafür notwendigen faseroptischen Verstärker sind nur ungefähr nach jeweils 100 Kilometern erforderlich. Bei elektronischen Übertragungen benötigt man bereits nach gut 1,5 Kilometern einen Verstärker.

Die Faseroptik wird in steigendem Umfang auch bei den Datennetzen eingesetzt, so auch bei den örtlichen Datennetzen (local area networks, LAN). Anders als bei der Datenfernübertragung werden hier die Geräte der Teilnehmer über kürzere Strecken mit einem Zentralrechner verbunden. Dadurch kann jeder Teilnehmer die technischen Einrichtungen intensiver nutzen und mit anderen Teilnehmern auf einfache Weise kommunizieren. Geräte neu hinzukommender Teilnehmer sind sehr einfach in das Netz einzufügen. Die Entwicklung neuer elektrooptischer und integrierter optischer Komponenten wird die Leistungsfähigkeit der Faseroptiksysteme weiter steigern.